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直流降压―升压斩波电路的设计  PAGE \* MERGEFORMAT 13 第一章 概述 1.1 直流―直流变换的分类 直流—直流变换器（DC-DC）是一种将直流基础电源转变为其他电压种类的直流变换装置。目前通信设备的直流基础电源电压规定为?48V，由于在通信系统中仍存在?24V（通信设备）及+12V、+5V（集成电路）的工作电源，因此，有必要将?48V基础电源通过直流—直流变换器变换到相应电压种类的直流电源，以供实际使用。DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。主要有 （1）Buck电路——降压斩波，其输出平均电压小于输入电压，极性相同。 （2）Boost电路——升压斩波，其输出平均电压大于输入电压，极性相同。 （3）Buck－Boost电路——降压―升压斩波，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性相反,电感传输。 （4）Cuk电路——降压或升压斩波，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性相反，电容传输。 此外还有Sepic、Zeta电路。 1.2 直流—直流变换器的发展 当今软开关技术的发展使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司(美国怀格公司,国际知名的电源模块生产厂家)设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为(6.2、10、17)W/cm3，效率为（80～90）%。日本NEMIC—LAMBDA(联美兰达,日本的开关电源厂商.2012年兰达被TDK收购,名称也改为TDK-LAMBDA)公司必威体育精装版推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200～300)kHz，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90%。 降压―升压斩波电路的设计 2.1 基本工作原理 电路原理图如图2-1所示,基本工作原理如下: 图2-1: 降压―升压斩波电路原理图 设电路中电感L值很大,电容C值也很大。使电感IL和电容电压即负载电压uo基本为恒值。 当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其储存能量，此时电流为i1,方向如图2-1a)所示。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中储存的能量向负载释放，电流为i2,方向如图2-1a)所示。 可见,负载电压极性为上正下负,与电源电压极性相反,因此又称为反极性斩波电路。 稳态时，一个周期T内电感L两端电压ul对时间积分为零,即 当V处于通态期间,uL=E;而当V处于断态期间,uL=-u0。于是 所以输出电压为 改变占空比α,输出电压既可以比电源电压高,也可以比电源电压低。当0α1/2时为降压,当1/2α1时为升压,因此将该电路称为降压―升压斩波电路。也有的文献直接按英文称之为buck-boost 变换器。 图2-1b)给出了电源电流i1和负载电流i2的波形,设两者的平均电流分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有 由上式可得 如果V和VD为没有损耗的理想开关时，则EI1=U0I2，其输出功率和输入功率相等，可以看做直流变压器。 2.2 触发方式 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同,斩波电路可以有三种控制方式: 保持开关周期T不变,调节开关导通时间ton,称为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM ),或脉冲调宽型。 保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。 ton和T都可调,使占空比改变,称为混合型。其中第一种方式应用最多。 电路仿真及其分析 直流降压―升压斩波变换电路的输出电压可以高于或者低于输入电压，它具有一个相对于输入电压公共端为负极性的输出电压。在电路中，改变占空比系数α,即可改变输出电压。 3.1电路为直流降压斩波变换电路时的波形及其分析 基于Multisim的直流降压―升压斩波电路的仿真电路图如图3-1所示，当函数发生器的设置如图3-2所示。占空比系数α为10%时，直流电压表指示的输出电压如图。其中特别注意直流电压表的接入方向问题，由此可见输出电压小于输入电压，完成降压斩波功能。直流电压表示数如图3-3所示，示波器显示的输出电压信号波形如图3-4所示。 图3-1：直流降压―升压斩波变换电路(降压时) 图3-2:信号发生器板面设置 图3-3:直流电压表示数 图3-4:输出电压信号波形 下面对仿真结果分析如下:在仿真电路图中,电源电压E设为9V,开关管为2SK2070L,即Silicon N Channel MOS FET High Speed Power Switching,是一种高速的MOSFET开关管,由日立公司(HITACHI